物联网智能综合电源装置的制作方法

本实用新型涉及一种物联网智能综合电源装置，属于电子技术领域。

背景技术：

街头有路灯的地方就有灯杆和公共照明电源，传统理念中灯杆与灯具的作用只是晚间的公共照明，由于智慧城市大数据系统与物联网系统的概念已逐步付诸实践，并得到长足的发展，人们逐渐认识到，灯杆、灯具及其供电网络组成的城市公共照明系统，是未来城市智能化发展最有潜力的基础设施，具有无可比拟的资源优势。灯杆与照明供电网络在保障公共照明的基本功能之外，还可以方便地派生出许多附加的功能，例如，可以承载小型电动汽车的充电桩，可以承载城市的信息查询与公告系统、WIFI热点（实现WiFi覆盖的城市微基站）、承载交通与治安视频监控、道路车流量统计、以及对PM2.5、PM10、二氧化碳、紫外线、照度、温湿度、大气压力、风向、风力、风速的各类环境监测设备等。

但是，上述这些种类繁多、各不相同的独立系统中，存在大量的探测器、传感器和数据传输装置，因而也不可避免的需要安装与这些装置配套使用的适配电源以解决供电问题，这不仅大大增加了部件的总数量，占用有限的空间，而且每一根灯杆上杂乱无章的分立电源和引线极带来施工和维护的困难，极易发生故障甚至事故，对安全运行极为不利。

除此之外，还存在着另一个现实的问题，就是些种类繁多、各不相同的系统中，对于自己系统中各类前端设备的数量、分布密度、甚至地理位置和环境条件的要求都是有区别的，这就导致了各个灯杆上安排的物联网设备种类和数量可能都不一致，如果仍采用传统的固定电压输出型式的直流稳压电源进行集中供电，既难以实现电源型号与规格的整齐划一，又不便于设计、采购和工程应用。

因此，为了解决这一矛盾，急需一款专为物联网前端设备而设计的“物联网智能综合电源装置”（简称“智能综合电源装置”），以便进一步开拓扩展灯杆资源的使用范围，为满足今后智慧城市快速发展的需要奠定物质基础。

技术实现要素：

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种物联网智能综合电源装置，以公共照明灯杆为依托，安装于灯杆内部空间中，并与照明灯具共用同一市电电源供给资源，为多种不同的物联网前端装置或设备提供相应直流工作电源的电源适配器。

技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种物联网智能综合电源装置，其特征在于：包括前置公共电源模块、单片机核心控制模块、直流电压等级变换模块和通信接口模块；

所述前置公共电源模块，包括AC/DC前置基础稳压电路和辅助电源电路；其中，AC/DC前置基础稳压电路是一个完整的单级PFC反激式开关逆变电路，包括：进线滤波、全波整流、单级PFC反激式开关、高频隔离变压器、二次整流滤波，用于完成电源抗干扰、功率因数补偿、AC-DC隔离转换及直流稳压输出功能；辅助电源电路采用DC-DC开关转换方式，将所述AC/DC前置基础稳压电路稳定输出的+24V电源进一步转换为稳定的+3.3V、+5V电源，供单片机核心控制模块和通信接口模块使用；

所述单片机核心控制模块，采用一只多I/O接口的通用单片机，完成各路输出模块的电压电流采集监控、通过数字电位器实现对输出电压的编程预置以及整机各个输出回路过压、过流、超温保护功能；

所述直流电压等级变换模块，包括四路完全相同的模块，尽管输出电压可以灵活调整，但模块结构完全一致，每个模块包括DC/DC变流电路、电流/电压采样电路和数字电位器；用于完成：把前置公共电源模块送来的+24V直流电源转换为不同电压等级的输出直流电源；接受单片机通过一组控制总线送来的调整指令，通过对数字电位器的操作实现对本模块输出直流电压的调整控制，数字电位器由两种不同阻值等级的电位器级联构成；通过DC/DC变流电路中的电压闭环反馈电路实现本模块输出电压的精密稳压功能；通过电流/电压采样电路向单片机回送保护控制信号，实现本模块故障的保护；

所述通信接口模块，与单片机串行通信引脚相连，完成与各种不同形式的实际传输接口连接的功能，组成与上级节点直至监控中心的网络连接。

进一步的，所述AC/DC前置基础稳压电路，将220V交流市电整流后，通过单级PFC开关控制芯片驱动逆变装置及高频隔离变压器进行逆变、隔离与降压处理，再经由二次整流滤波成为+24V直流输出，送至多路输出级的直流供电母线，为后级的每一个多路输出级模块提供输入直流供电；同时，还为辅助电源电路提供所需的直流供电，以维持包括单片机核心控制模块在内的整套装置的正常工作。

进一步的，辅助电源电路的供电输入端连接在AC/DC前置基础稳压电路的+24V直流输出母线上，通过非隔离开关稳压电路后得到+5V输出电压，该+5V输出又分为两路，一路经精密线性稳压后成为+3.3V电源，用于为单片机核心控制模块供电；另一路经隔离式DC/DC变换后仍维持+5V电压，向RS485通信接口供电。

作为优选方案，AC/DC前置基础稳压电路采用AC-DC工作方式，单路输出，容量为24V/2A、50W；选用UCC28633作为控制芯片。

具体的，所述AC/DC前置基础稳压电路：交流市电经接口JP1、保险丝F1送入包括压敏电阻RV1、电容C1、共模电感L1、电容C2、C3与C4的浪涌吸收及抗干扰滤波电路，然后经全桥BRG1整流成为脉动直流后，送达功率开关电路进行斩波处理；

集成芯片U1（FT822）是功率开关管的驱动控制部件，整流桥输出端+250V电压经电阻R4、R5连至U1的工作电源输入即第8脚，作为启动瞬间的初始驱动电源（正常工作后，8脚的供电则是利用二极管D5将降压隔离变压器次级的交变输出进行二次整流，再经电容C10滤波后得到的稳定直流作为电源）；集成芯片U1需要检测输入脉动直流电压的幅值，因此其第3脚连接至电阻R1、R2和R3构成的分压器的分压点上；集成芯片U1需要检测斩波信号经过降压隔离变压器后的过零时刻，因此其第5脚连接至变压器次级线圈与二次整流管D5的连接点上；集成芯片U1需要检测功率开关管Q1的工作电流，因此其第4脚连接至Q1源极电流采样电阻R10的上端；

集成芯片U1还需要检测+24V输出电压与标准值的偏差，以便对输出电压进行闭环调整保持其恒定，因此在+24V输出端设置了包括电阻R17、R18的分压器，通过采样值与芯片Q2内部基准值的比较，并由Q2内部的高增益放大器进行差值放大后，将差值信号以电流变化的形式通过光耦合器OPT1的发光二极管，从而反映在光耦合器OPT1的次级串联电阻R14上得到隔离后的对应差值信号，然后将此信号经电阻R7送到集成芯片U1的第1脚，用来改变U1的运行参数，并由第7脚输出相应的驱动脉冲，经电阻R8送到VMOS大功率开关管Q1的栅极，以实现对+24V输出电压的闭环稳压控制。

作为优选方案，所述直流电压等级变换模块中，DC/DC变流电路采用MP1593芯片，该集成电路的引脚PIN2为电源输入端，引脚PIN4为公共地线端，引脚PIN7为芯片工作使能端，引脚PIN3为内部功率开关管的输出端，引脚PIN1为内部开关管驱动电路的自举供电端，引脚PIN8为软启动时间设置端，引脚PIN5为输出反馈电压输入端，引脚PIN6为内部误差放大器的补偿元件接入端；

电源输入端通过插座直接连接于AC/DC前置基础稳压电路的+24V直流输出母线上；公共地线端直接连至公共地线，使能端PIN7经标号M1-MEN的连线接至单片机相应的I/O引脚，同时经过下拉电阻R29和抗干扰电容C38接地；开关管的输出端引脚PIN3有三条路径对外连接：主路经过电感L4接至本模块的输出端（标号M1-OUT+），第二路经电容C39连接至内部开关管驱动电路的自举供电端引脚PIN1，为驱动管提供自举信号，第三路经续流二极管D16接地，在内部开关管关断期间为电感L4提供续流回路；引脚PIN8经定时电容C37接地，以确定软启动时间，内部误差放大器的补偿元件接入端PIN6经补偿电容C44以及C43与R32的串联组合电路共同接地，以稳定误差放大器的工作；输出电压反馈回路由电阻分压器取得，电阻分压器的上臂为电阻R31，电阻分压器的下臂则由两只数字电位器U8和U9级联构成，电阻分压器的分压点（R31下端）连接至输出反馈电压输入端，实现对输出电压的采样，然后通过内部误差放大器对采样值与基准值的比较结果进行动态调整，以稳定模块的输出电压；

当电源输入端（引脚PIN2）通过插座由前级+24V直流输出母线供电后，如果在单片机控制下，此时给芯片工作使能端（引脚PIN7）加TTL高电平，则IC 被启动进入工作状态；经过导通时间Ton后，内部功率MOS管导通，使输入电压经由PIN3 端输出，加在电感L4的左端，该电压经过L4与电容C5 组成的滤波电路向模块的外部负载供电，同时在电感L4上储存了磁场能；在时间Toff后，内部功率MOS 管关断，此时在储能电感元件L4上产生的反向电压为左负右正，因此加在续流二极管D16上的电压是正向偏置电压，致使二极管导通，于是，电感L4与二极管D16及外部负载间形成了一个放电回路，电感L4上储存的电能向外部负载释放，以提供负载所需的电流。

作为优选方案，所述单片机核心控制模块包括单片机，单片机配置有用于在现场实现对各路输出电压调整配置的现场调试接口；单片机还配置有工控总线式通信接口，经通信网络与运维中心进行数据交换，以遥控方式设置各路的输出电压参数及最高输出电流；采用STM32F103C8单片机，工作电源VCC为3.3V，除去复位引脚RST，晶体振荡器引脚XO、XI，备用电源接入引脚VBAT、以及BOOT0引脚之外，还设置有35个可用的I/O引脚，分别是PA0～PA15，PB0～PB15，PC13～PC15；

I/O引脚具体分配情况如下：

1、分配给“RS485通信接口”的引脚：

PA0：（DE/RE\）， 串口收发方向控制信号，（置低接收，置高发送）；

PA1:（PV）， 串口芯片供电电源监控信号，工作时为高；

PA2:（USART-TX）， 串口数据发送端；

PA3:（USART-RX）， 串口数据接收端；

2、分配给“现场调试接口”的引脚：

PA13:（SWDIO）调试数据口线；

PA14：(SWCLK)调试时钟口线；

3、分配给每一路直流电压等级变换模块进行输出电压、电流采样的（需含AD转换模拟输入端口）：

PA4、PA5：分别用于直流电压等级变换第一模块的电压、电流采样；

PA6、PA7：分别用于直流电压等级变换第二模块的电压、电流采样；

PA8、PA9：分别用于直流电压等级变换第三模块的电压、电流采样；

PA10、PA11：分别用于直流电压等级变换第四模块的电压、电流采样；

4、分配给每一路输出模块进行数字电位器控制的：

PA12、PB0～PB3：按顺序分别用于直流电压等级变换第一模块内的DC/DC芯片使能、第一电位器使能、电位器步进、电位器中心头移动方向和第二电位器使能；

PB4～PB8：按顺序分别用于直流电压等级变换第二模块内的DC/DC芯片使能、第一电位器使能、电位器步进、电位器中心头移动方向和第二电位器使能；

PB9～PB13：按顺序分别用于直流电压等级变换第三模块内的DC/DC芯片使能、第一电位器使能、电位器步进、电位器中心头移动方向和第二电位器使能；

PB14～PB15，PC13～PC15：按顺序分别用于直流电压等级变换第四模块内的DC/DC芯片使能、第一电位器使能、电位器步进、电位器中心头移动方向和第二电位器使能；

单片机对各个模块中数字电位器的控制进而实现对“输出模块”电压的调整可简述为如下过程：以第一输出模块为例，首先通过“现场调试接口”或通过“RS485通信接口”将所需输出电压数值输入单片机，单片机立即通过PA4口线采集第一输出模块的实际输出电压，如符合电压配置需求，则不作处理；如与电压配置需求不合，则需进行调整。

当需要使输出电压升高时，说明作为电压采样分压器下臂的电位器总电阻需要减小，此时单片机首先通过将PB0口线（接电位器U8的CS\引脚）置低，PB3口线（接电位器U9的CS\引脚）置高，即仅使电位器U8使能，进入“粗调整”过程。由于是要减小阻值，单片机将PB2口线（接电位器U/D\引脚）置低，表示选择“减档”操作，随即通过PB1口线（接电位器INC\引脚）输出一个从高到低的负跳变，维持1uS低电平后再回复至高电平，形成一个负向的时钟脉冲，在内部可逆计数器、译码器和开关阵列的协同作用下，实现VL和VW之间的阻值减小一档。如果继续通过PB1口线提供负向的时钟脉冲，阻值减档的操作就继续进行，直至PB0口线（接电位器U8的CS\引脚）、PB1口线（接电位器INC\引脚）均由单片机控制输出为高电平，此时计数器值将锁存于非易失寄存器中，数字电位器的阻值将不再改变。

如果需要使输出电压降低时，单片机只需在上述步骤中将PB2口线（接电位器U/D\引脚）置高，表示选择“加档”操作即可；

如果当需要使用数字电位器U9对输出电压作进一步“细调”时，单片机只需将PB0口线（接电位器U8的CS\引脚）置高，而将PB3口线（接电位器U9的CS\引脚）置低，选择对U9进行操作，其它口线的应用仍与前述相同。

作为优选方案，所述通信接口模块采用ADM2483芯片，为一隔离型RS485收发器，包括一个RS485收发器和三个单通道的光耦(具有三个传输通道的全部隔离功能)。

有益效果：本实用新型提供的物联网智能综合电源装置，以公共照明灯杆为依托，安装于灯杆圆筒形内部空间中，并与照明灯具共用同一市电电源供给资源，为多种不同的物联网前端装置或设备提供相应直流工作电源的电源适配器，具有以下优点：

第一，采用一路单相交流市电输入，多路不同电压直流输出的电路结构，以适应供电侧与送电侧双方的要求。根据对大量受电装置和设备的调研，所需电压等级一般在5V至24V之间，所需功率容量一般在数mW至数W之间，例如温湿度、紫外线、照度类传感器一般功耗在25～30 mW；PM2.5传感器、交通流量传感器功耗在0.6～3W左右，而风力传感器、视频监控探头、WIFI热点一类设备功耗稍大，约在6W～12.5W范围内。因此，本智能综合电源装置按每台总功率输出50W考虑，分为四路直流输出，每一路的最大输出电流均为2A。

这样的结构方式，一方面可以集中利用一套市电进线滤波器，同时解决四路电源输出的供电端抗干扰问题，又可以在保障滤波效果的前提下适应多种不同电压的负载，且能有效减小设备体积，并降低元器件成本。

第二，本智能综合电源装置中的变流电路采用两级工作方式：

前级为常用的AC-DC方式，将市电整流后，通过带单级PFC控制的反激式开关逆变电路、高频隔离变压器降压隔离处理及二次侧整流滤波后，成为+24V直流输出送至直流母线。采用先进的带单级PFC控制的反激式开关逆变可以将本装置的功率因数提高到95%以上，以适合绿色能源规范要求；

后级则为DC-DC工作方式，根据需要把直流母线给出的+24V直流转换为相同级别或较低级别的电压输出。四路直流输出为模块化设计，每路的模块均可互换。各路标称输出电压都可按+5V、+12V和+24V的标称值配置，也可根据特殊需求配置为各种非标电压输出。为减小损耗，设计采用的模块效率在95%左右。

第三，在本智能综合电源装置中，为实现对各类传感或通信装置供电的灵活性，并使输出电压可在现场或远端进行机动配置，采用了以单片机为核心的智能调节方式，一方面单片机具有现场调试接口，可以方便的在现场实现对各路输出电压的调整配置，另一方面单片机又具有工控总线式通信接口，可以通过网络与运维中心进行数据交换，直接遥控设置各路的输出电压参数及最高输出电流。

第四，在本智能综合电源装置中，输出电压一经现场或远端配置确认后，就必须稳定可靠，不能受到单片机其它进程的影响，更不能在单片机受干扰出现程序跑飞故障时受到影响。为达到这一目的，必须采用可靠的硬件结构进行保障，除在必要的配置流程中接受单片机指令外，其它时刻均形成稳定的电压反馈闭环系统，完全由闭环系统的硬件独立工作，稳定各路输出在所整定的范围内。

第五，为实现各路输出电压的可调整功能，本智能综合电源装置的每一路输出模块都必需具有输出端的隔离功能，即在调整某路电压时，必须首先切断该路输出与负载之间的电气连接，或使该路输出调整为零，以避免调整过程中电压变化对负载设备的影响或冲击。为实现这一目的，还必需使相关电路具有“盲调”性能，即单片机输出调控信息与被控硬件反应结果之间的对应关系是已知的，即使输出被暂时切断，也能将其调整到期望数值附近很小的范围以内，输出接通后只需进行微调即可。

第六，目前远程遥控可供选择的通信方式较多，有线类有RS485工业控制总线、电力线载波（PLC）等；无线类有Zegbee、LoRa组网等技术，尤其是新发展起来的LoRa组网技术，不但能适合本智能综合电源装置的配置与监控数据的传输需求，还可以为各类物联网终端采集监控设备提供公共的数据传输通道，实现进一步的资源共享。

第七，为保障所供电负载设备及自身的安全，本智能综合电源装置必须具有完善的保护功能，包括进线浪涌保护及过压-过流保护、输出过压-过流保护、整机超温保护等。整机设计留有合理的功率裕量，并具有符合国标的防水防尘特性。

附图说明

图1为本实用新型的系统框图；

图2为AC/DC前置基础稳压电路图；

图3为辅助电源电路图；

图4为单片机核心控制模块电路图；

图5为直流电压等级变换模块电路图；

图6为通信接口模块电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作更进一步的说明。

如图1所示，本实用新型提供的物联网智能综合电源装置，以公共照明灯杆为依托，安装于灯杆中空内部空间，并与照明灯具共用同一市电电源供给资源，为多种不同的物联网前端装置或设备提供相应直流工作电源的电源适配器，其具体包括四大部分：

第一部分为前置公共电源模块， 包括“AC/DC前置基础稳压电路” 和辅助电源电路，如图2所示，其中“AC/DC前置基础稳压电路”是一个完整的单级PFC反激式开关稳压器，包括：进线滤波、全波整流、单级PFC反激式开关、高频隔离变压器、二次整流滤波等部分，完成电源抗干扰、功率因数补偿、AC-DC隔离转换及直流稳压输出等功能。如图3所示，辅助电源电路则是采用DC-DC开关转换方式，将所述“AC/DC前置基础稳压电路”稳定输出的+24V电源进一步转换为高度稳定的+5V、+3.3V电源，供通信部分和单片机核心控制模块使用。

由于这一部分在本装置中为第一级电路，故以下简称为“前置公共电源”。

如图4所示，第二部分为单片机核心控制模块，采用一只多I/O接口的通用单片机，完成各路输出模块的电压电流采集监控、通过数字电位器实现对输出电压的编程预置、整机各个输出回路过压、过流、超温等多项保护功能。

如图5所示，第三部分为直流电压等级变换模块，共四路完全相同的模块，（DC/DC-1至DC/DC-4），每个模块均可独立完成以下功能：

1、把前置公共电源模块送来的+24V直流电源转换为不同电压等级的输出直流电源（允许两个以上模块处于同一电压等级）。

2、接受单片机通过一组控制总线送来的调整指令，通过对数字电位器的操作实现对本模块输出直流电压的调整控制。

3、通过电压闭环反馈电路实现本模块输出电压的精密稳压功能。

4、通过电流/电压采样电路向单片机回送保护控制信号，实现本模块故障的保护。

如图6所示，第四部分为通信接口模块，与单片机串行通信引脚相连，完成与各种不同形式的实际传输接口连接的功能，组成与上级节点直至监控中心的网络连接，赋予本智能综合电源装置远程集中调度配置与监控的性能。

实施例

在图2和图3中，展示了“AC/DC前置基础稳压电路”与“辅助电源电路”的实际电路构成。

如图2所示，其中“AC/DC前置基础稳压电路”是一个完善进线滤波性能的反激式开关逆变电路，作用是将220V交流市电整流后，通过开关控制芯片驱动的逆变装置及高频隔离变压器进行逆变、隔离与降压处理，再经由二次整流滤波成为+24V直流输出，送至多路输出级的直流供电母线，为后级的每一个多路输出级模块提供输入直流供电。同时，还为辅助电源电路提供所需的直流供电，以维持包括单片机核心控制模块在内的整套装置的正常工作。实施例中“AC/DC前置基础稳压电路”采用常规的AC-DC工作方式，单路输出，容量为24V/2A(50W)。由于选用了UCC28633作为控制芯片，相比传统的电源芯片，具有更好的轻负载效率，典型效率可达90%左右。

如图3所示，其中辅助电源电路的供电输入端连接在“AC/DC前置基础稳压电路”输出的+24V直流母线上，通过高效的非隔离开关稳压电路后得到+5V输出电压，该+5V输出又分为两路，一路经精密线性稳压后成为+3.3V电源，用于为单片机核心控制模块供电；另一路经隔离式DC/DC变换后仍维持+5V电压，向RS485通信接口供电。这部分电路的工作原理基本上属于公知的成熟电源技术，故不在此处赘述，只简单说明一下电路的组成：

交流市电经接口JP1、保险丝F1送入由压敏电阻RV1、电容C1、共模电感L1、电容C2、C3与C4构成的浪涌吸收及抗干扰滤波电路，然后经全桥BRG1整流成为脉动直流后，送达功率开关电路进行斩波处理。

集成芯片U1（FT822）是功率开关管的驱动控制部件，整流桥输出端+250V电压经电阻R4、R5连至U1的工作电源输入（8脚），作为启动瞬间的初始驱动电源（正常工作后，8脚的供电则是利用二极管D5将降压隔离变压器次级的交变输出进行二次整流，再经电容C10滤波后得到的稳定直流作为电源）。集成芯片U1需要检测输入脉动直流电压的幅值，因此其第3脚连接至电阻R1、R2和R3构成的分压器的分压点上；集成芯片U1需要检测斩波信号经过降压隔离变压器后的过零时刻，因此其第5脚连接至上述变压器次级线圈与二次整流管D5的连接点上；集成芯片U1需要检测功率开关管Q1的工作电流，因此其第4脚连接至Q1源极电流采样电阻R10的上端。

集成芯片U1还需要检测+24V输出电压与标准值的偏差，以便对输出电压进行闭环调整保持其恒定，因此在+24V输出端设置了由电阻R17、R18构成的分压器，通过采样值与芯片Q2（型号TL431）内部基准值（2.5V）的比较，并由Q2内部的高增益放大器进行差值放大后，将差值信号以电流变化的形式通过光耦合器OPT1的发光二极管，从而反映在光耦合器OPT1的次级串联电阻R14上得到隔离后的对应差值信号，然后将此信号经电阻R7送到集成芯片U1的第1脚，用来改变U1的运行参数，并由第7脚输出相应的驱动脉冲，经电阻R8送到VMOS大功率开关管Q1的栅极，以实现对+24V输出电压的闭环稳压控制。

由于整流桥输出的工频脉动直流峰值较高，峰值附近的过冲电压幅值更高，为避免峰值附近的过冲电压对功率开关管造成损害，在降压隔离变压器初级线圈上设置了由电阻R11、电容C6和二极管D1组成的过冲电压吸收回路。

本AC-DC转换电路还同时具有PFC（有源功率因数补偿）的性能，这是由于在整流桥BPG1后面的滤波电容C5并非一般的大容量高压电解电容，而是容量很小的CBB电容，不能对工频50Hz整流后的直流脉动进行有效平滑，因此直流脉动成分仍基本保持不变，在专用的开关斩波控制芯片及后续反馈调整电路的共同作用下，将出现工频波形峰值处斩波频率最低，而工频波形过零点处斩波频率最高，中间过程中斩波频率基本随脉动振幅按正弦规律相应成反比变化的特点。根据PFC电路的基本原理可知，这将迫使市电输入端电流追随输入端电压而变化，并保持电流电压波形基本一致的状态，因而进线端的功率因数很高（达到95-98%），实现了单级PFC开关电源的要求。

前置公共电源模块本身就具有较高的输出电压稳定性，将其输出母线作为后续多路直流电压等级变换模块的供电回路，就进一步保证了最终各路输出电压的稳定性，因此能很好满足物联网终端采集、探测设备可靠工作的需求。

在图4至图6中，展示了单片机核心控制模块、直流电压等级变换模块与通信接口模块 的实施例电路结构。

一、直流电压等级变换模块，如图5所示：

该模块的核心是一个降压型的DC/DC变流模块，最大输出电流为2A，输出电压可在5-24V范围内通过编程预置整定。每一个直流电压等级变换模块均有完全相同的电路结构和元件数值，在图5中，只示出模块1（第一路）的实际结构，其它三路仅由方框表示，注明模块2、模块3和模块4。

1、DC/DC变流部分的电路构成与基本功能

DC/DC部分的核心部件采用MP1593芯片，典型效率为95%。该集成电路的引脚PIN2为电源输入端，引脚PIN4为公共地线端，引脚PIN7为芯片工作使能端，引脚PIN3为内部功率开关管的输出端，引脚PIN1为内部开关管驱动电路的自举供电端，引脚PIN8为软启动时间设置端，引脚PIN5为输出反馈电压输入端，引脚PIN6为内部误差放大器的补偿元件接入端。

如前所述，本实施例中后级直流电压等级变换模块的工作电源由第一级“前置公共电源”供给，故电源输入端（引脚PIN2）通过插座直接连接于前级+24V输出母线上。引脚PIN4为公共地线端直接连至公共地线，使能端PIN7经标号M1-MEN的连线接至单片机相应的I/O引脚（具体连接规则见后续单片机引脚分配部分内容），同时经过下拉电阻R29和抗干扰电容C38接地；开关管的输出端引脚PIN3有三条路径对外连接：主路经过电感L4接至本模块的输出端（标号M1-OUT+），第二路经电容C39连接至内部开关管驱动电路的自举供电端引脚PIN1，为驱动管提供自举信号，第三路经续流二极管D16接地，在内部开关管关断期间为电感L4提供续流回路；引脚PIN8经定时电容C37接地，以确定软启动时间，内部误差放大器的补偿元件接入端PIN6经补偿电容C44以及C43与R32的串联组合电路共同接地，以稳定误差放大器的工作；输出电压反馈回路由电阻分压器取得，电阻分压器的上臂为电阻R31，电阻分压器的下臂则由两只数字电位器U8和U9级联构成，电阻分压器的分压点（R31下端）连接至输出反馈电压输入端，实现对输出电压的采样，然后通过内部误差放大器对采样值与基准值的比较结果进行动态调整，以稳定模块的输出电压。

当本模块的电源输入端（引脚PIN2）通过插座由前级+24V输出母线供电后，如果在单片机控制下，这时给芯片工作使能端（引脚PIN7）加TTL高电平（+5V 左右），则IC 被启动进入工作状态。经过导通时间Ton后，内部功率MOS管导通，使输入电压经由PIN3 端输出，加在电感L4的左端，该电压经过L4与电容C5 组成的滤波电路向模块的外部负载供电，同时在电感L4上储存了磁场能。在时间Toff后，内部功率MOS 管关断，此时在储能电感元件L4上产生的反向电压为左负右正，因此加在续流二极管D16上的电压是正向偏置电压，致使二极管导通，于是，电感L4与二极管D16及外部负载间形成了一个放电回路，电感L4上储存的电能向外部负载释放，以提供负载所需的电流。

2、输出电压、输出电流的采样电路

本模块的输出电压、输出电流必须始终处于单片机的监控之下，因此必需在输出与单片机AD输入接口之间设置与之相应的采集与信号传输回路。

输出电压采集部件为电阻R35与R30串联构成的电阻分压器，串联体一端接于模块输出端，串联体另一端接地，分压点接至运算放大器U9B的同相输入端，运算放大器U9B接成电压跟随器形式将信号缓冲后，再经稳压二极管D17的钳位以及电阻R34、电容C40的抗干扰滤波后，送至单片机的电压采样AD输入接口（标号M1-I）；

输出电流采集部件是串联在输出回路负极引线中的电阻R36，输出电流在该电阻两端形成的压降反映了输出电流的大小，但该压降值很小，必需经放大后才能适合单片机的模拟量采集输入要求，故电阻R36两端分别经电阻R27、R28连接至运放U9A的反相与同相输入端，电流采样信号经U9A放大后从1脚输出，送至单片机电流采样AD输入接口（标号M1-I）。

3、数字电位器及其与单片机的接口连线

数字电位器U8和U9是赋予本模块输出电压可编程预置特性的关键元件，数字电位器含有配置寄存器及数据寄存器及非易失性存储器，预置数据可用单片机读写，具有调节精度高、无噪声、无机械磨损、工作寿命极长等优点。使用数字电位器能方便的实现可编程控制，并可通过单片机及AD转换电路对其控制结果进行精确测量与补偿修正。

本实施例采用数字电位器X9C103与X9C102，两者的电阻网络都包含100个档位，具有相同的引脚分布和输入控制特性，不同的是X9C103的总电阻为10K，而X9C102的总电阻为1K，两者相差一个数量级。它们的第8脚为VCC供电端，第1脚（标号INC\）为电位器的中心头步进控制信号的输入端，第2脚（标号U/D\）为电位器的增量或减量控制端，第7脚（标号CS\）为电位器片选使能端，第6脚（标号VL）为电位器电阻网络的上部端子，第4脚为GND端，同时兼做电位器电阻网络的下部端子，而第5脚（标号VW）相当于电位器电阻网络的“中心抽头”。

U8和U9的第8脚为VCC供电端，共同连接至辅助电源的5V输出端；第4脚为GND端，共同连接至公共地。第一数字电位器U8的第7脚（片选使能CS\）接至单片机（标号M1-W1EN）引脚，第二数字电位器U9的第7脚（片选使能CS\）接至单片机（标号M1-W2EN）引脚；两只电位器的第1脚（中心头步进控制信号INC\）是接在一起的，共用同一连线接至单片机（标号M1-DIR）引脚；两只电位器的第2脚（增量或减量控制端U/D\）也是接在一起的，共用同一连线接至单片机（标号M1-UD）引脚。在这里，括号中标号“M1”表示第一个直流电压等级变换模块，相似的，第二个直流电压等级变换模块相应的标号为“M2-XX”，以此类推。

由此可见，对于每一个直流电压等级变换模块， 共有2根模拟采样信号线（输出电压、电流）、4根数字电位器控制线与单片机相连，另外，还有DC/DC部分的核心部件MP1593芯片的使能端PIN7也需要接至单片机，用于输出的连通与切断控制，综上所述，也就是每个模块共占用单片机7个I/O接口（其中含2个模拟量采样输入接口和5个数字控制接口），因此四个模块合计需要占用单片机28个I/O接口（其中含8个模拟量采样输入接口和20个数字控制接口）。

特别要说明的是：本实施例设计了独特的两种不同数值的数字电位器相级联的连接应用方式，大大提高了模块的预置电压精度。原理如下：

根据图5可知，数字电位器是作为输出电阻分压器的一部分接入电路的，作为电阻分压器的下半部分，它和电阻分压器的上半部分（固定电阻R31）共同决定了分压器的分压比，因而也就决定了模块输出电压的数值大小。因此，在总阻值相同的情况下，数字电位器的步进档位越多，每个相邻档间的阻值变化就越细，预置电压就可以越精准。但是，步进档位过多是不现实的，成本高且难于制造，而且由于档位过多，选档定位的速度也随之减慢，难以两全。

如果我们将其中一个数字电位器选用每档电阻值较大的产品，而另一个数字电位器选用每档电阻值较小的产品，并把它们级联起来，就可以形成一个用于“粗调”，另一个用于“细调”的组合形式，例如每个电位器都有100个档位，而“粗调”电位器的每档电阻是“细调” 电位器每档电阻10倍，这种组合显然就形成了一个100×100=10000个档位的数字电位器（由于某些组合存在等价关系，实际有效的电阻值档数少于此数），而其档间电阻的最小可选值仍保持“细调”电位器的档间电阻水平。显然，“粗调”可迅速逼近需要的阻值，加快了选档的速度，“细调”则保障了选档的精准度。目前数字电位器已是成熟产品，价格低廉，该组合方式只增加很低的成本，就使可用精度的提高超过一个数量级，因而是一种非常有实用价值的扩展方法。

二、单片机核心控制模块，如图4所示：

该部分以单片机为核心，实现对多路直流电压等级变换模块输出电压及限流阈值的智能调节，一方面单片机具有现场调试接口，可以方便的在现场实现对各路输出电压的调整配置，另一方面单片机又具有工控总线式通信接口，可以经通信网络与运维中心进行数据交换，以遥控方式设置各路的输出电压参数及最高输出电流。

本实施例采用STM32F103C8单片机，工作电源VCC为3.3V，除去复位引脚RST，晶体振荡器引脚XO、XI，备用电源接入引脚VBAT、以及BOOT0引脚之外，共有35个可用的I/O引脚，分别是PA0～PA15，PB0～PB15，PC13～PC15。具体分配情况如下：

5、分配给“RS485通信接口”的引脚：

PA0：（DE/RE\）， 串口收发方向控制信号，（置低接收，置高发送）；

PA1:（PV），串口芯片供电电源监控信号，工作时为高；

PA2:（USART-TX）， 串口数据发送端；

PA3:（USART-RX）， 串口数据接收端。

6、分配给“现场调试接口”的引脚：

PA13:（SWDIO）调试数据口线；

PA14：(SWCLK)调试时钟口线；

7、分配给每一路直流电压等级变换模块（以下简称输出模块）进行输出电压、电流采样的（需含AD转换模拟输入端口）：

PA4、PA5：分别用于模块1的电压、电流采样；

PA6、PA7：分别用于模块2的电压、电流采样；

PA8、PA9：分别用于模块3的电压、电流采样；

PA10、PA11：分别用于模块4的电压、电流采样；

8、分配给每一路输出模块进行数字电位器控制的：

PA12、PB0～PB3：按顺序分别用于输出模块1内的DC/DC芯片使能、电位器1使能、电位器步进、电位器中心头移动方向和电位器2使能；

PB4～PB8：按顺序分别用于模块2内的DC/DC芯片使能、电位器1使能、电位器步进、电位器中心头移动方向和电位器2使能；

PB9～PB13：按顺序分别用于模块3内的DC/DC芯片使能、电位器1使能、电位器步进、电位器中心头移动方向和电位器2使能；

PB14～PB15，PC13～PC15：按顺序分别用于模块4内的DC/DC芯片使能、电位器1使能、电位器步进、电位器中心头移动方向和电位器2使能；

这样，单片机引脚除PA15外全部分配完毕，充分利用了片内资源。

单片机对各个模块中数字电位器的控制进而实现对“输出模块”电压的调整可简述为如下过程：以第一输出模块为例，首先通过“现场调试接口”或通过“RS485通信接口”将所需输出电压数值输入单片机，单片机立即通过PA4口线采集第一输出模块的实际输出电压，如符合电压配置需求，则不作处理；如与电压配置需求不合，则需进行调整。

当需要使输出电压升高时，说明作为电压采样分压器下臂的电位器总电阻需要减小，此时单片机首先通过将PB0口线（接电位器U8的CS\引脚）置低，PB3口线（接电位器U9的CS\引脚）置高，即仅使电位器U8使能，进入“粗调整”过程。由于是要减小阻值，单片机将PB2口线（接电位器U/D\引脚）置低，表示选择“减档”操作，随即通过PB1口线（接电位器INC\引脚）输出一个从高到低的负跳变，维持1uS低电平后再回复至高电平，形成一个负向的时钟脉冲，在内部可逆计数器、译码器和开关阵列的协同作用下，实现VL和VW之间的阻值减小一档。如果继续通过PB1口线提供负向的时钟脉冲，阻值减档的操作就继续进行，直至PB0口线（接电位器U8的CS\引脚）、PB1口线（接电位器INC\引脚）均由单片机控制输出为高电平，此时计数器值将锁存于非易失寄存器中，数字电位器的阻值将不再改变。

如果需要使输出电压降低时，单片机只需在上述步骤中将PB2口线（接电位器U/D\引脚）置高，表示选择“加档”操作即可；

如果当需要使用数字电位器U9对输出电压作进一步“细调”时，单片机只需将PB0口线（接电位器U8的CS\引脚）置高，而将PB3口线（接电位器U9的CS\引脚）置低，选择对U9进行操作，其它口线的应用仍与前述相同。

实际使用中，每操作一步，就需要对输出电压进行一次测量，如果这样一档档顺序执行，非常繁琐费时，效率极低。为提高效率加快调整速度，可采用快速查表方式一步调整到所需电压附近很小范围内，然后再作精细调整。具体方法属软件技术范畴，不在此深入讨论。

三、通信接口模块，如图6所示：

通信接口模块与单片机内部专用串口通信引脚配合，构成与外部传输网络的接口，其用途是与运营监控中心进行数据交换，取得中心的支持以实现对本电源的遥控预置与智能化监管。由于它赋予本智能综合电源装置以远程集中调度配置与监控的特殊性能，因此是不可忽视的重要组成部分。

通信接口模块以ADI的ADM2483芯片为主，该芯片是新推出的一款隔离型RS485收发器，内部集成了ADI专利的icoupler(磁耦)隔离技术，功能上相当于集成了三个单通道的光耦和一个RS485收发器，速率是500Kbps，具有以下优势：

1、体积小：传统RS485通讯的接口除供电需要采用DC-DC隔离电源模块之外，还要使用一个MAX485芯片外加三个光耦，新技术中只采用一个ADM2483芯片，磁隔离技术属于电压型，无需外接限流电阻。因内部已集成了信号隔离，所以收、发与控制引脚都可直接与CPU直接相连。大大简化了电路并提高了模块的性能。

2、具有独特的电源监控功能：ADM2483前端支持3.3V/5V供电，并有一个电源监控脚PV，这个引脚的功能是监测自身供电电源，当供电电源低于2.0V时，ADM2483不工作，此引脚输出低电平；当供电电源高于2.0V时ADM2483进入工作状态，此引脚则会自动置高，可提供单片机作为通信口的监控信号之一。

3、ADM2483内部集成的RS485收发器，具有热关断与输入失效保护功能。

通信接口模块的实际电路图说明如下：

第2、8脚为非隔离侧的地线引脚，直接与单片机地线端（GND）相连，第1脚为非隔离侧的工作电源端，接至前述“前置公共电源”中“单片机供电部分”的+3.3V电源输出点。

通信接口芯片U6（ADM2483）第3脚（RXD）是串行接收端，连至所述单片机U4的PA3引脚；U6第6脚（TXD）是串行发送端，连至单片机的PA2引脚，上述两条线路构成通信的主回路；

U6第4脚（RE\）是接收使能端，低电平有效；U6第5脚（DE）是发送使能端，高电平有效，这里将二者合一，共同连至所述单片机U4的PA0引脚，这样，当控制PA0引脚为低电平时，通信接口芯片处于接收状态；而当控制PA0引脚为高电平时，通信接口芯片处于发送状态，实现了对收发方向的控制。

隔离电源芯片U5为通信接口芯片U6（ADM2483）提供隔离电源，其第1脚为非隔离的电源输入正端，取自所述“单片机供电部分”输出的+5V电源输出点。非隔离的输入负端（第2脚）接地，第4脚是经隔离后的输出正端，接至通信芯片U6隔离侧的第16引脚为其供电，输出负端（第3脚）是隔离后的通信接口外侧参考地端。这样，通信接口芯片内、外部线路在保证传输信号完整性的前提下，在电气上完全实现了隔离，保障了单片机等内部电路的工作稳定性和运行安全。

在通信接口芯片U6外侧，除上述隔离电源输入端口外，第12引脚（B）和第13引脚（A）构成差分形式的半双工通信接口回路。由于连接外线，并引入一定的抗噪声门限，设置了一组电阻分压网络和一组钳位网络。电阻分压网络由电阻R22、R26和R23串联构成，R23下端接隔离电源芯片输出正极（485V），R22上端接隔离电源芯片输出负极，串联体的中间电阻R26两端分别连接于芯片U5的引脚（B）和引脚（A），这样就造成引脚（A）电压高于引脚（B）电压，形成引脚（A）、（B）之间的偏置门限，有助于提高抗干扰能力。一组钳位网络是由钳位二极管D13、D14、D15构成的，D14设置在引脚（A）、（B）之间，D15与 D13分别设置在外侧隔离地与（A）、（B）之间，用于吸收线路上可能出现的较大感应电压，保护接口的安全。

通信接口芯片U6的第7引脚（PV，供电电源监控信号）直接连至所述单片机的PA1引脚，以便单片机随时了解通信接口芯片供电电源的工作状况。

前已述及，智能综合电源装置是以公共照明灯杆为依托，安装于灯杆圆筒形内部空间中，并与照明灯具共用同一市电电源供给资源，为多种不同的物联网前端装置或设备提供相应直流工作电源的电源适配器，因此，本智能综合电源装置具有明确的结构特征与性能特点，具体体现在以下几个方面：

第一，采用一路单相交流市电输入，多路不同电压直流输出的电路结构，以适应供电侧与送电侧双方的要求。根据对大量受电装置和设备的调研，所需电压等级一般在5V至24V之间，所需功率容量一般在数mW至数W之间，例如温湿度、紫外线、照度类传感器一般功耗在25～30 mW；PM2.5传感器、交通流量传感器功耗在0.6～3W左右，而风力传感器、视频监控探头、WIFI热点一类设备功耗稍大，约在6W～12.5W范围内。因此，本智能综合电源装置按每台总功率输出50W考虑，分为四路直流输出，每一路的最大输出电流均为2A。

这样的结构方式，一方面可以集中利用一套市电进线滤波器，同时解决四路电源输出的供电端抗干扰问题，又可以在保障滤波效果的前提下适应多种不同电压的负载，且能有效减小设备体积，并降低元器件成本。

第二，本智能综合电源装置中的变流电路采用两级工作方式，

前级为常用的AC-DC方式，将市电整流后，通过带单级PFC控制的反激式开关逆变电路、高频隔离变压器降压隔离处理及二次侧整流滤波后，成为+24V直流输出送至直流母线。采用先进的带单级PFC控制的反激式开关逆变可以将本装置的功率因数提高到95%以上，以适合绿色能源规范要求；

后级则为DC-DC工作方式，根据需要把直流母线给出的+24V直流转换为相同级别或较低级别的电压输出。四路直流输出为模块化设计，每路的模块均可互换。各路标称输出电压都可按+5V、+12V和+24V的标称值配置，也可根据特殊需求配置为各种非标电压输出。为减小损耗，设计采用的模块效率在95%左右。

第三，在本智能综合电源装置中，为实现对各类传感或通信装置供电的灵活性，并使输出电压可在现场或远端进行机动配置，采用了以单片机为核心的智能调节方式，一方面单片机具有现场调试接口，可以方便的在现场实现对各路输出电压的调整配置，另一方面单片机又具有工控总线式通信接口，可以通过网络与运维中心进行数据交换，直接遥控设置各路的输出电压参数及最高输出电流。

第四，在本智能综合电源装置中，输出电压一经现场或远端配置确认后，就必须稳定可靠，不能受到单片机其它进程的影响，更不能在单片机受干扰出现程序跑飞故障时受到影响。为达到这一目的，必须采用可靠的硬件结构进行保障，除在必要的配置流程中接受单片机指令外，其它时刻均形成稳定的电压反馈闭环系统，完全由闭环系统的硬件独立工作，稳定各路输出在所整定的范围内。

第五，为实现各路输出电压的可调整功能，本智能综合电源装置的每一路输出模块都必需具有输出端的隔离功能，即在调整某路电压时，必须首先切断该路输出与负载之间的电气连接，或使该路输出调整为零，以避免调整过程中电压变化对负载设备的影响或冲击。为实现这一目的，还必需使相关电路具有“盲调”性能，即单片机输出调控信息与被控硬件反应结果之间的对应关系是已知的，即使输出被暂时切断，也能将其调整到期望数值附近很小的范围以内，输出接通后只需进行微调即可。

第六，目前远程遥控可供选择的通信方式较多，有线类有RS485工业控制总线、电力线载波（PLC）等；无线类有Zegbee、LoRa组网等技术，尤其是新发展起来的LoRa组网技术，不但能适合本智能综合电源装置的配置与监控数据的传输需求，还可以为各类物联网终端采集监控设备提供公共的数据传输通道，实现进一步的资源共享。

第七，为保障所供电负载设备及自身的安全，本智能综合电源装置必须具有完善的保护功能，包括进线浪涌保护及过压-过流保护、输出过压-过流保护、整机超温保护等。整机设计留有合理的功率裕量，并具有符合国标的防水防尘特性。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。